新型浮床對燈芯草生長的影響及對氨氮、總磷的去除研究

陳進(jìn)樹

摘 要：以生化棉為植物定植基質(zhì)構(gòu)建一種新型的浮床，研究比較其對燈芯草生長特性的影響及對水中氨氮、總磷的去除效果。結(jié)果表明：新型浮床能顯著（P<0.05）增加燈芯草的分蘗數(shù)及重量，對水體中氨氮（NH3-N）、總磷（TP）的去除效果也顯著（P<0.05）強(qiáng)于普通浮床。

關(guān)鍵詞：浮床；燈芯草；生長特性；脫氮除磷

中圖分類號 S688.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）14-0077-03

Abstract： In order to improve purification efficiency of the floating-bed，a new type floating-bed was designed and applied. Difference in growth of Juncus effusus，ammonia（NH3-N），total phosphorus（TP）in eutrophic water were compared. The experimental results showed that：number and weight of tillers of Juncus effuses cultivated on the new type floating-bed were significantly greater than the traditional floating-bed（P<0.05）.The ammonia（NH3-N）and total phosphorus（TP） uptake ability of the new type floating-bed were significantly greater than the traditional floating-bed （P<0.05）.

Key words： Floating-bed；Juncus effusus；Growth characteristics；Nitrogen and phosphorus removal

隨著我國工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程產(chǎn)生的城區(qū)人口激增，對水資源的消耗與污染比以住更加的嚴(yán)重，而污染治理設(shè)施的建造與管理相對滯后，致使我國大部分江河湖泊呈現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢，特別是靠近城區(qū)環(huán)境的水體污染更為嚴(yán)重。據(jù)報導(dǎo)，我國85%湖泊出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化，因此水污染治理技術(shù)在國內(nèi)得到很多的關(guān)注和研究。浮床去污技術(shù)作為一種具有原位修復(fù)、成本低廉及增加景觀功能的水體凈化技術(shù)，近年受到我國科研人員的重視，也取得很多的成就，但其去污效果易受季節(jié)和浮床植物量的限制，去污效果相對較低，因此，如何提高浮床的去污效果是近來研究的重點(diǎn)。以往對提高浮床去污效果的研究主要包括外在提高和內(nèi)在提高2種方式：外在提高方式主要有細(xì)菌固定化技術(shù)[1]和增加溶解氧[2]，內(nèi)在提高方式主要有篩選優(yōu)勢植物[3]和提高浮床構(gòu)造[4-6]。從以住報道的提高浮床構(gòu)造研究中，在根系下部增加彈性材料的浮床能較強(qiáng)的提高水體的凈化效果，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，植物的固定效果較差。針對以上存在的問題，本研究進(jìn)行了新型浮床的設(shè)計(jì)建造，并栽植本地常見的燈芯草（Juncus effusus）進(jìn)行研究，對比分析其在2種浮床上的生長特性及對水體中氨氮、總磷去除能力等方面的差異，以期為浮床技術(shù)的研究運(yùn)用提供一些參考。

1 材料與方法

1.1 新型生態(tài)浮島的設(shè)計(jì)建造 新型浮床的物理結(jié)構(gòu)主要由浮力結(jié)構(gòu)層和多孔彈性材料層（定植植物及附著微生物）2部分組成。浮力結(jié)構(gòu)層以空心塑料、PVC管材或其它經(jīng)濟(jì)耐用且不易對水體造成污染的浮力材料組成，多孔彈性材料層由彈性好、孔隙度合適且沒異味的生化棉組成；該浮床系統(tǒng)已申請且授權(quán)實(shí)用新型專利，專利號：ZL 2016 2 0899817.1；新型浮床的主體構(gòu)造如圖1所示。

1.2 供試植物 試驗(yàn)用的燈芯草（Juncus effusus）購自郊區(qū)的百花村水生植物園；它是一種多年生水生草本植物，分布廣泛，耐寒，對環(huán)境要求不嚴(yán)，生長較快，是一種較好的浮床栽植植物。

1.3 試驗(yàn)方法 以塑料箱為容器進(jìn)行燈芯草靜水栽培及水質(zhì)凈化試驗(yàn)，共設(shè)3種處理，分別為空白對照（生活污水）、傳統(tǒng)浮床（浮床+生活污水）和新型浮床（浮床+生化棉+生活污水）。試驗(yàn)于10月開始，選取植株長勢良好、大小和重量相近的燈芯草分別植入新型浮床（植物根系長在生化棉上）和傳統(tǒng)浮床（植物根系直接進(jìn)入水中），每試驗(yàn)設(shè)置3組，每組20個分蘗。1個月后測量分析植物增加的分蘗數(shù)、重量增加量（不計(jì)根的重量，因?yàn)楦谏蘩餃y量不方便）及水中氨氮和總磷含量的變化；氨氮測定采用納氏試劑光度法，總磷的測定采用鉬銻抗光度法，用LH-NP2氨氮/磷分析儀進(jìn)行測定；氨氮、總磷的去除率按下列公式計(jì)算：去除率（%）=[（Cs-Ce）/Cs]×100，式中Cs試驗(yàn)開始時水體中的污染物濃度，Ce為試驗(yàn)結(jié)束時水體中的污染物濃度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 試驗(yàn)結(jié)果用SPSS17.0進(jìn)行分析，不同浮床對燈芯草生長特性的影響采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)（n=3），不同浮床對氨氮、總磷去除的試驗(yàn)結(jié)果采用單因素方差分析（n=3，Duncan法），并對方差分析的結(jié)果用Excel 2010進(jìn)行作圖表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同浮床對燈芯草生長特性的影響 試驗(yàn)結(jié)果用SPSS 17.0進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)（n=3），新型浮床與傳統(tǒng)浮床對燈芯草生長特性的影響如表1所示。

由表1可知，與傳統(tǒng)浮床對比，新型浮床對燈芯草的分蘗增加有明顯的促進(jìn)作用（P<0.05），對燈芯草重量的增加也具有明顯的促進(jìn)作用（P<0.05），這表明新型浮床對于燈芯草的生長有較好的促進(jìn)作用。

2.2 不同處理對氨氮、總磷的去除效果 對新型浮床、傳統(tǒng)浮床和空白對照水體中氨氮、總磷進(jìn)行測量計(jì)算，并用SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析（n=3，Duncan法），再經(jīng)Excel 2010進(jìn)行作圖，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，對于水體中氨氮的去除效果，2種浮床強(qiáng)于空白對照組（P<0.05），新型浮床對水體中氨氮的去除效果（86.1%）最好，并且與傳統(tǒng)浮床（67.8%）對比差異顯著（P<0.05）；對于水體中總磷的去除效果也以新型浮床（58.8%）為最佳，與傳統(tǒng)浮床的去除效果（47.8%）比較差異也顯著（P<0.05）。

2.3 討論 新型浮床表現(xiàn)出對燈芯草的生長有較好的促進(jìn)作用，產(chǎn)生這個結(jié)果的原因主要有：（1）新型浮床由于生化棉增加了微生物的附著面積，促進(jìn)水體中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化分解并被燈芯草能較好的吸收，從而促進(jìn)燈芯草的生長發(fā)育。（2）新型浮床植物的根系長在生化棉上，固定效果較好，根系比較靠近水面，具有較好的透氣性，能較好的滿足植物根系對氧的需要，促進(jìn)植物根系的生長發(fā)育，也促進(jìn)根系周圍的好氧微生物的繁殖，從而增強(qiáng)對水中的氮、磷轉(zhuǎn)化分解，最終被植物吸收從而促進(jìn)了植物的生長發(fā)育。

新型浮床對水體中氨氮有較強(qiáng)的凈化作用；這與馬強(qiáng)等[7]進(jìn)行的研究得出彈性立體材料能增加對水體的凈化能力一致，與陳亞男等[8]進(jìn)行的填料掛膜能較好去除水中氨氮的研究結(jié)果相同。據(jù)朱靜平等[9]的研究表明浮床系統(tǒng)中根系微生物對水質(zhì)的凈化貢獻(xiàn)最大，植物次之，沉淀、粘附和吸附作用相對較小。本研究構(gòu)建的生態(tài)浮床系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是以彈性好、孔隙度合適、比表面積大的生化棉做為植物的定植基質(zhì)及微生物的附著載體，這不僅增加了單位空間的微生物數(shù)量及種類，而且由于較靠近水面及植物的泌氧作用，使得其周周圍溶解氧較高，氧氣的充足有利于硝化細(xì)菌的生長和繁殖，從而增加硝化作用，促進(jìn)硝酸鹽的形成并被植物吸收，這促進(jìn)了植物的生長，從而也提高氨氮的去除效果。本研究的試驗(yàn)結(jié)果表明氨氮的去除主要是浮床系統(tǒng)起主要作用，與周曉紅等[10]的研究結(jié)果略有不同，這是由于水體中氨氮的去除主要有氨揮發(fā)、硝化反應(yīng)和植物的吸收作用，氨揮發(fā)與水體中的pH值密切相關(guān)；據(jù)Koottatep[11]的研究報道，當(dāng)污水pH<8時，氨的揮發(fā)凈化基本上可忽略；本試驗(yàn)的水體pH在7.3左右，而周曉紅等的研究其pH為8～9.4，所以氨的揮發(fā)程度不同。

新型浮床對水體中總磷也有較強(qiáng)的凈化作用。據(jù)蔣躍等[12]的研究報道，水中磷的去除主要有2方面：一是以磷酸鹽沉降并固結(jié)在載體或試驗(yàn)箱壁上；二是植物對可溶性磷的吸收；在植物吸收可溶性磷方面，植物生長的好壞對其吸收能力是一個很重要的因素；據(jù)李文芬等[13]的研究報道，浮床植物生長狀況越好，其對水體中總磷的去除效果就越好；本試驗(yàn)中，新型浮床系統(tǒng)上的植物生長較好，因此，其對磷的吸收能力也強(qiáng)于其他系統(tǒng)。水體中磷的去除轉(zhuǎn)化，還與解磷菌和聚磷菌的數(shù)量及活性密切相關(guān)，新型浮床對這類細(xì)菌是否有促進(jìn)作用，由于條件所限，這方面的作用還有待于進(jìn)一步的探索研究。

3 結(jié)論及展望

生態(tài)浮床對水體中營養(yǎng)物質(zhì)的去除，主要有植物（包括浮床植物和水中藻類）吸收、微生物轉(zhuǎn)化及沉淀等作用。其中通過浮床植物的吸收和收割移除浮床植物是去除營養(yǎng)物質(zhì)的主要因素，而且生長良好的植物可向水中釋放氧氣，促進(jìn)相關(guān)微生物的生長繁殖，進(jìn)一步促進(jìn)水體中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化并被植物吸收，反過來促進(jìn)植物的生長發(fā)育。本研究設(shè)計(jì)的新型生態(tài)浮床，以彈性好、孔隙度合適及比表面積大的生化棉做為植物的定植基質(zhì)及微生物附著的載體，增大微生物的附著面積，增強(qiáng)浮床系統(tǒng)的硝化作用，經(jīng)過和傳統(tǒng)浮床實(shí)驗(yàn)對比，對燈芯草的萌蘗和重量增加具有明顯的促進(jìn)作用，對水體中氨氮、總磷的去除明顯優(yōu)于傳統(tǒng)浮床，并且構(gòu)造簡單，可較好的應(yīng)用于城市里公園水體的景觀美化及水體凈化。

在本試驗(yàn)中還有一些問題尚未研究清楚，如附著的微生物種類、數(shù)量及作用還不清楚，有待于深入研究；另外，近年來應(yīng)用細(xì)菌固定化技術(shù)在短期內(nèi)提高浮床細(xì)菌數(shù)量，增強(qiáng)浮床系統(tǒng)凈化水體的能力，對于新型生態(tài)浮床如何與該技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，這也是下一步需要進(jìn)一步研究的問題。

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